2018 年 11 月,中国基因编辑宝宝引起举世哗然!这个事件的前因,要追溯到 2012 年横空出世的基因剪刀 CRISPR,让人类从此可精准、快速、便宜的编辑 DNA。但这把剪刀目前还有技术瓶颈,只适合治疗可拿出体外的免疫细胞。《研之有物》邀请中研院生物化学研究所、专研 CRISPR 的凌嘉鸿助研究员,介绍这项正在翻转世界的基因神器。
编辑人体基因,就是修改人体 DNA,主要动机是根治基因突变引发的疾病。
“但是,我们真的需要基因编辑来治病吗?”
事情是这样的:DNA 是生命的蓝图,指挥细胞生产蛋白质,维持人体的生长与运作。当 DNA 的重要位置发生突变,“细胞工厂”运作会失控,就可能造成生理失调,甚至像白血病等重大遗传疾病。
“生病了,可以吃药。但基因突变造成的疾病,药物只能控制病情。”凌嘉鸿继续解释:“因为从蓝图就错了,细胞永远只能制造错误的蛋白质。想要根治,最好直接更正蓝图,修改 DNA。”
基因编辑,可以从源头下手,找到错误的 DNA 片段,用一把分子“剪刀”切开,剔除这个错误的基因,或是在缺口处“贴上”正确的 DNA 片段。
▲ 过去基因突变引发的疾病,药物无法根治,必须终身吃药。现代的基因编辑技术,可以彻底根治基因缺陷,就像用文书软件修改错误一样:找到错字(发现突变基因)、删除错字(剪下突变基因)、补上正确的字(贴上正确基因)。
所以首先,必须要有一把精准、能够剪开 DNA 双螺旋的好剪刀,CRISPR 就是当前最好用的一把。有趣的是,它来自细菌的免疫系统。
细菌里的基因剪刀
1987 年,日本科学家在大肠杆菌的基因体发现一段古怪的规律序列,某一小段 DNA(Repeat)会一直重复,重复片段之间又有一样长的间隔(Spacer),用途不明,科学家把这段序列称为 CRISPR(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。后来发现,许多细菌都有 CRISPR,它是细菌免疫系统的一种机制,可以记忆曾经来犯的病毒。
想不到,这个看似不起眼的 DNA 片段,将会引爆基因编辑的大狂潮!
故事是这么开始的:当病毒入侵细菌,会把自己的 DNA 注入到细菌中,企图霸占细菌工厂的资源,复制新病毒,但细菌也不会乖乖挨打,它们的免疫系统可以辨识、摧毁病毒的 DNA。这是一场微观世界的闪电战,细菌的反击必须够快、够准,才有机会存活!
有些细菌侥幸存活后,会挑选一段病毒的 DNA 碎片,插入自己的 CRISPR 序列(增加一段 Spacer),就像为病毒建立“罪犯数据库”。当病毒第二次入侵,细菌就能依靠 CRISPR 序列快速认出这种病毒,第一时间反杀,提高存活率。
▲ 细菌遇到病毒入侵,细菌的 Cas9 会剪下病毒的一段 DNA,插在自己的基因组上,就好像为病毒建立“罪犯数据库”。
细菌是如何认出病毒的呢?首先,细菌会用旧病毒的 DNA 片段(Spacer)当模板,打造一条互补的引导 RNA,例如病毒 DNA 的碱基是 T、RNA 是 A,DNA 是 G、RNA 是 C,或是互相颠倒。引导 RNA 再利用这种互补关系,比对新病毒 DNA 片段,如果可以互补,表示新旧病毒相同。
然后,一种可以切割 DNA 的酵素 Cas9(武装警察),会抓着这段引导 RNA(嫌犯资料),前去“盘查”新病毒的 DNA,看看有没有跟引导 RNA 互补的段落。这一次反过来,RNA 是 A,DNA 是 T;RNA 是 C,DNA 是 G,或是互相颠倒。
一旦找到了,Cas9 立刻剪开“被认出”的 DNA 片段。DNA 被剪断摧毁,病毒就没戏唱了。这种细菌的免疫机制,称为 CRISPR-Cas9。
基因神剪 CRISPR
这么基础的细菌免疫学,跟基因编辑有什么关系呢?想想,基因编辑的关键是:找到一把可以切开 DNA,又不会随便乱剪的分子级剪刀。细菌的 Cas9 酵素,凭著一段引导 RNA,就能精准“喀擦”锁定的 DNA 片段。好剪刀,不用吗?
实务上的操作方法很简单:先将 Cas9 做好、放入冰箱,想要剪某段 DNA,就订做一条互补的引导 RNA。然后将 Cas9 解冻、与引导 RNA 结合,再用电击的方式进入细胞,让它去剪下错误的基因。
坏基因剪下来了,怎么贴上好的基因?因为细胞天生会自动修补受损的 DNA,只要把正确的基因送进细胞核,就有机会被细胞拿来修补 Cas9 剪下的断口,完成基因编辑!
基因编辑技术大跃进
CRISPR 不是第一把基因剪刀。早在 1990 年代,科学家就开发了许多种能“剪开”DNA 的酵素。每种酵素有自己的特殊结构,只能跟特定的 DNA 片段结合,借此精准切割目标基因。只不过,如果研究者想剪开另一段 DNA,即使序列只有一点点差异,也要花费两三个月重新设计、组装全新的酵素,技术复杂、耗时又花钱。
直到 2012 年,科学家找到 CRISPR 这把神剪!它不像过去的酵素剪刀:剪一种基因,设计组装一把酵素剪刀。CRISPR 从头到尾只用一把万能酵素剪刀 Cas9,加上一条引导 RNA,就能切割所有的 DNA。目标基因换了,订购一条 RNA 就好,不需要重新设计复杂的酵素,技术和价格门槛都非常低。
所以 CRISPR 一问世,立刻铺天盖地应用在细菌、真菌、动物、植物、人类医学。2010 年有关 CRISPR 的论文不到 50 篇,到了 2015 年,已暴增到 1,100 篇。
基因编辑治疗免疫疾病
“既然 CRISPR 这么好用,是不是可以终结所有的遗传疾病了?”可惜的是,这把剪刀还有很多技术上的瓶颈, 还不适合直接治疗人体细胞。
“最重要的瓶颈之一:这把细菌的基因剪刀用在人体的 DNA,不是百分百准确。”凌嘉鸿慎重提醒。
Cas9 能辨认的序列是 23 个碱基,但人体 DNA 碱基序列有 65 亿个,Cas9 想要找到正确的序列,宛如大海捞针。
以统计学方法来算,要从 65 亿个碱基序列里找到一条独一无二的序列,长度至少要 28 个,低于这个数字,找到的可能只是相似的序列,因此 Cas9 无法保证统统剪对位置。当 Cas9 切错位置,可能造成难以想像的副作用。
“目前比较安全的做法,是先从病人体内取出细胞修改,确定没问题再放回体内。”凌嘉鸿说。不过,大部分细胞、组织都不可能任意取出,只有随时悬浮在血液中的免疫细胞,抽血就能取得。 如果有人免疫细胞先天不足,可以先把它们取出体外,修改基因,例如把 T 细胞取出来,“教会”它们癌细胞长什么样子,再把“变聪明”的 T 细胞放回体内,找出癌细胞进行摧毁。
▲ 目前基因编辑还不适合直接编辑人体内的细胞,比较安全的做法是把细胞拿出,在体外编辑,例如:修正免疫细胞的基因,治疗免疫疾病。
最近几年,很多医药或癌症研究都转向 CRISPR,像中国很早就开始将 CRISPR 搭配免疫疗法,美国、欧洲也渐渐跟上。CRISPR 还可用在干细胞,先从病人身体取出干细胞,先在体外进行基因编辑,再放回体内分化成各种健康细胞,更是潜力无穷!
(作者:欧宇甜;本文由 研之有物 授权转载;首图来源:shutterstock)
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